硼-磷共掺杂氧化锌的电子结构和光学性质的第一性原理计算学案.doc

硼-磷共掺杂氧化锌的电子结构和光学性质的第一性原理计算 关键字：第一性原理计算，（B,P）共掺杂，电子结构，光电特性 绪论 这篇文章运用基于密度函数理论的第一性原理介绍了B-P掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质。在（B，P）共掺杂ZnO体系，掺杂喜欢在相同的（001）晶面的两个相邻点中形成结合能为-1.92 eV的BZn–PO复合结构，价带最高位置上上会出现一些空位。随着磷浓度的增加，P 3p越来越离散。计算出的光学特性表明，在能量较低的区域出现显著的光学跃迁，这些峰位和强度和P的浓度相关，这可以归因于P 3p和Zn 4s态之间的电子跃迁。此外，还讨论了（B，P）共掺杂ZnO系统的吸收系数和其他光学常数，如反射率，折射率，和损失函数。 1简介 由于其具有较宽的直接带隙和较高的激子束缚能，氧化锌在电子设备的光学应用中具有很大的潜力。此外，他可以通过掺杂来调整带隙。随着生长，氧化锌作为n型半导体，并且它很难以生产成p型氧化锌，实现氧化锌为基础的光电器件是必不可少的。总的来说，掺杂破坏了局部对称性，并且基体和掺杂剂之间的化学错配可能会导致在带隙产生较深的缺陷。在减少这些影响方面已经取得了显著的成绩。彦红学等人提出了一种使用一个供体和一个受体使其形成复杂掺杂完全占领杂质带价带上方的方法。随着进一步的掺杂，受体将复杂的结合并且有效充分的占领杂质带。此外，受-供体对的形成也是缺陷更加稳定。一些研究已经做了关于氧化锌中共掺杂方法的报道，主要集中在氮受体。P也被认为是一个合适的掺杂。虽然p型导电性可以通过多种方法实现p型ZnO，但是p型到点的可靠性仍是一个问题，其电子结构和光学性质我们还没有完全了解。因此，P和捐助者共掺杂ZnO体系的理论研究是必要的。对共掺杂ZnO系统的光学性质的第一性原理计算对了解其光学跃迁机制有特别大的帮助。 本文中，我们利用基于密度泛函理论（DFT）的第一原理计算报告了B和P掺杂ZnO体系理论研究。据报道，氧化锌中的硼原子更倾向于替代锌原子。随着对磷原子的进一步介绍，我们发现硼作为捐赠者在锌晶体结构中进行置换，使与硼原子临近的锌原子或氧原子被动与硼原子形成复杂的化合物。探讨B和P在氧化锌中的掺杂效应，需要考虑五种不同的因素。计算了掺杂ZnO体系的电子结构和光学性质，将计算结构与实验结果以及其他理论结构相比较。 2计算模型和方法 所有计算均采用平面波超软赝势CASTEP代码执行。交换相关势采用广义梯度与伯克势相近的方案。O 2s22p4, Zn 3d104s2, B 2s22p1, 和 P 3s23p3作为价电子配置被用来描述电子-离子相互作用。电子的波函数是以一个截止能量为370 eV的平面波展开，以及Monkhorst-Pack网格与参数4 4 2用于简约布里渊区的采样。其实，广泛的测试也形成了。随截止能量增加，晶格常数和总能量没有明显的变化，这类似于燕等人的结果。然后我们把戒指能量固定在379eV，把网络k点从442分别增加到444、553以及774，我们发现总能量的区别就是在0.01 eV以内的准确率，并且介电函数的虚部ε2(ω)和吸收光谱都有一些微小的变化。事实上，李等人测试了大量的k点，并且发现在333和222网络，总能量的差距准确到0.02eV以内。许多其他的研究表明，4 4 2 k点网格对于我们的计算是足够的。ZnO体系包含32个原子，并且相同的数据已被用于其他的报告。总能量会聚到低于2 10 5 eV/原子，每个原子和力收敛到小于0.05 eV /A。然后在优化晶格架构的基础上，计算电子结构和光学性质。 为了确定两种掺杂剂是否有力、优先地结合，例如：在自然点和状态下的BZn和PO，计算结合能的定义为 Eb = Etot（BZn-PO ）+ Etot （ZnO）—Etot （BZn）—Etot （PO）， Etot（BZn-PO ），Etot （BZn）和Etot （PO）分别是含缺陷BZn-PO 、BZn 和PO 的总能量。当两者都存在于系统中时，与负值的Eb 相对应的是一个亚稳态或稳定结合掺杂剂对。公式延伸到其他配合物是非常简单明了的。 3结果与讨论 3.1 B和P共掺杂ZnO体系的结构特性 纯氧化锌的优化晶格常数是a=3.282 ?，c=5.315 ?，如表一，与ZnO的 JCPDS文件一致。与3.37 eV的实验带隙相比，计算出的0.73eV的带隙比较小，这是由于DFT著名的内在因素。但价值与其他LDA或DFT-GGA研究一致，将值确定在0.7– 0.9 eV以内。在氧化锌中的单硼掺杂，硼离子的半径非常小(B3 t , 大约 0.23 ?)，一般认为有两种可能性：（1）B替代Zn（BZn），（2）B存在于间隙部位（Bi）。 根据参考文献计算出缺陷形成能。结果